CN111964737B - 一种自动标定的超声波流量计的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动标定的超声波流量计的计算方法，由中心对射换能器组测量超声波在介质中的声速，再由弦对射换能器组测量顺、逆流超声波飞行时间，计算得到各弦介质流速，并通过测量弦对射换能器组的弦心距，与自动检定系数数据库比较，通过公式补偿得到对应弦心距系数，然后通过公式计算得到介质面平均流速，可以减少流量计溯源所耗时间，降低能耗，并保证其在使用过程中测量精确度不因工况环境改变而降低，进而降低了生产费用，不采用实流检定方式，而是采用长度溯源，在使用过程中长度只跟材料、结构的环境特性相关，通过在使用过程中的自动标定，提高了超声波流量计的使用精度和稳定性，有利于更广泛地推广超声波流量计。

Description

一种自动标定的超声波流量计的计算方法

技术领域

本发明涉及超声波流量计技术领域，特别涉及一种自动标定的超声波流量计的计算方法。

背景技术

目前，超声波流量计具有量程比大、测量精度高、无压损等诸多优点，特别是在大口径天然气、大口径液体流量测量方面，具备独特的优势。超声波流量计的测量原理分为传播时间差法和多普勒法等。传播时间差法又可以分为时差法、相差法和频差法，其中，时差法效果好，在超声波流量计中应用最为广泛。基于时差法测量原理的超声波流量计在测量流量时，首先依据逆压电效应，激励一个超声波换能器发射超声波信号；另一个超声波换能器接收到超声波信号，依据压电效应，转换为回波电信号；根据回波信号中某个稳定的特征点(如波形信号某周期的过零点、峰值点或特定的某一相位点)，确定超声波信号的顺流、逆流传播时间，进而计算介质流量。

时差法超声波流量计在处理信号时常采用阈值检测法和互相关法测得超声波飞行时间，由飞行时间计算得到各声道介质弦平均流速，进而计算得到介质面平均流速，乘以截面积得到流量；因此超声波流量计最终测量目的是测量得到介质面平均流速。

目前超声波流量测量技术发展迅速，已经有各种技术出现来消除飞行时间测量的各种误差，测量精准度已经不是超声波流量计的重要制约因素，而流量计的生产效率、生产费用以及使用过程中的精准度，是目前仍在研究的前沿课题。

为了保证超声波流量计的精确度，目前超声波流量计主要采用标准流量检定装置溯源，制造工厂内标准流量装置与本地计量部门溯源，计量部门再更上级的计量部门溯源的方法。因此超声波流量计作为一种计量仪表，为了保证精度必须溯源，而由于流量测量的特性，采用标准流量检定装置溯源，整个过程耗费时间很长，检定装置的能耗也很大，造成很大的浪费；而且在使用过程中，由于工况环境的不同，流量计测量精度也受到影响而产生不同程度的降低。

因此，目前迫切需要开发出一种技术，其可以减少流量计溯源所耗时间，降低能耗，并保证其在使用过程中测量精确度不因工况环境改变而降低。

发明内容

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供了一种自动标定的超声波流量计的计算方法，可以减少流量计溯源所耗时间，降低能耗，并保证其在使用过程中测量精确度不因工况环境改变而降低，进而降低了生产费用，其溯源不采用实流检定方式，而是采用长度溯源，在使用过程中长度只跟材料、结构的环境特性相关，通过在使用过程中的自动标定，提高了超声波流量计的使用精度和稳定性，有利于更广泛地推广超声波流量计，具有重大的生产实践意义。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种自动标定的超声波流量计的计算方法，包括如下步骤：

步骤一、采用内径测量工具测量超声波流量计测量导管的管体内径为D；

步骤二、分别激励中心对射换能器组的两个换能器，测量对向换能器的接收信号，分别得到超声波飞行时间T1、T2，按公式计算得到超声波声速：

v_c＝2*D/T₁+T₂

步骤三、将标定工装卡在超声波流量计测量导管的管体外侧，测量得到管体外径Dw和弦对射换能器组距离管体两外边距离L1、L2，设L1大于L2，则按公式计算得到此组弦对射换能器组弦心距为：

L＝L₁-L₂/2

同理，按相同方法可测得其他各组弦对射换能器组的弦心距Ln；

步骤四、分别激励弦对射换能器组的两个换能器，测量对向换能器的接收信号，分别得到超声波飞行时间T3、T4，结合测得的超声波声速，按公式计算得到介质弦流速

同理，按此方法测量计算得到其他各组弦对射换能器组的介质弦流速

其中Ta、Tb为此弦对射换能器组的超声波飞行时间；

步骤五、分别通过实流检定不同弦心距L0、L1、……Lm……Ly的超声波流量计，计算不同弦心距对应的介质弦流速与对应的介质面流速，设弦心距Lm对应介质弦流速为v_m，介质面流速为v_m0，按如下公式计算得到此弦心距的弦心距系数Km：

K_m＝v_m0/v_m

以此类推计算不同弦心距L0、L1、……Lm……Ly对应的弦心距系数组K0、K1、……Ky，将弦心距与弦心距系数组作为自动检定系数数据库；

步骤六、得到的自动检定系数数据库中取出弦心距Lm、Lm+1对应弦心距系数为Km、Km+1，且与弦心距Ln存在Lm<Ln<Lm+1的关系，按如下公式自动补偿计算得到弦心距Ln对应弦心距系数Kn：

K_n＝(L_n-L_m)*(K_m+1-K_m)/(L_m+1-L_m)+K_m

以此方法计算得到各弦对射换能器组的弦心距系数；

步骤七、步骤四得到的超声波流量计各组弦对射换能器组的介质弦流速Vx与步骤六得到的超声波流量计各组弦对射换能器组的弦心距系数Kn，按如下公式计算得到超声波流量计的面平均流速v：

v＝∑(K_n*v_n)/N

N为弦对射换能器组数量。

一种用于实现所述一种自动标定的超声波流量计的计算方法的标定工装，包括支撑杆一、支撑杆二、标准尺和读数头，支撑杆一与支撑杆二平行布置，标准尺与支撑杆一、支撑杆二垂直装配，读数头垂直于标准尺，沿标准尺滑动来测量长度；检测时，将所述的标定工装卡在超声波流量计测量导管的管体外侧，支撑杆一、支撑杆二与超声波流量计的弦对射换能器组平行布置。

所述的标准尺采用光栅尺或磁栅尺或游标卡尺，测量精确度达到0.001mm以上的位移测量工具。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明的方法可以免去现有的采用标准流量检定装置校准，通过测量弦心距，自动计算得到流量计测量的介质面平均流速，节省了实流检定时间，提高了生产效率，节约能耗，有着重大的生产实践意义，为超声波流量计的推广产生了巨大的社会效益；

2)此外，本发明的方法操作简单，使用过程中实时自动标定精确度，避免了长时间使用过程工况环境变化造成的精确度下降问题产生。本发明可以应用于液体或气体介质测量的超声波流量计，以上为本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

附图说明

图1为双声道超声波流量计管体俯视剖面图；

图2为双声道超声波流量计管体侧视剖面图；

图3为专用标定工装测量弦心距示意图；

图4为超声波流量计实时声速计算流程图；

图5为超声波流量计实时介质弦流速计算流程图；

图6为超声波流量计介质弦流速系数计算流程图；

图7为超声波流量计面平均流速计算流程图。

图中：1-测量导管 2-A中心对射换能器组(包括2-A1-中心对射换能器 A1、2-A2-中心对射换能器A2 2-B-弦对射换能器组B(包括2-B1-弦对射换能器B1、2-B2-弦对射换能器B2)2-C-弦对射换能器组C(包括2-C1-弦对射换能器C1、2-C2-弦对射换能器C2) 3-支撑杆一 4-支撑杆二 5-标准尺 6-读数头

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

本发明提供了一种自动标定的超声波流量计计算方法，参见图1、图2，超声波流量计管体由测量导管1、中心对射换能器组2-A、弦对射换能器组2-B、2-C组成；其中中心对射换能器组2-A安装在测量导管1的管体正中心位置，换能器组与管体轴线垂直；弦对射换能器组2-B、2-C与中心对射换能器组2-A平行，安装在测量导管1的管体斜截面弦上；弦对射换能器组2-B、2-C与测量导管1的管体轴线成一定角度，常采用45°夹角；实施例选择了双声道超声波流量计，参见图1、图2，分别为流量计俯视剖面图和侧视剖面图，流量计测量导管1管体中心有与轴线垂直的中心换能器组A1、A2，另有弦换能器组B1、B2与C1、C2，弦换能器组2-B、2-C与超声波管体轴线平行，且与轴线呈45°夹角；超声波流量计测量导管1的管体内径为D，内径由内径千分尺等通用测量工具测得。

图3为专用标定工装测量弦心距示意图，标定工装由支撑杆一3、支撑杆二4、标准尺5和读数头6组成，支撑杆一3与支撑杆二4平行布置，标准尺5与支撑杆一3、支撑杆二4垂直，读数头6与标准尺5垂直，可以沿标准尺5滑动来测量位移长度；将标定工装的支撑杆一3和支撑杆二4卡到测量导管1管体外径上，使支撑杆与待测量弦对射换能器组2-B、2-C平行布置，移动读数头6测量管体外径Dw，然后移动读数头6读取换能器与管体外圆的距离L1、L2，弦心距为圆心与弦线的距离，因此按公式可以计算得到弦心距为：

L＝L₁-L₂/2

按此方法分别计算得到图1、图2所示两弦对射换能器组B1、B2、C1、C2的弦心距，分别计为LB、LC。

图4为超声波流量计实时声速计算流程图，在图1、图2中可以看到传感器测量导管1的管体中心与轴线成90°角分布有中心对射换能器组2-A，此换能器组2-A间距为传感器管体内径D，可以通过通用长度测量工具，如内径千分尺等检测得到，并且由于换能器组2-A与轴线成90°角分布，其超声波飞行时间不受介质流速影响，检测其顺、逆流飞行时间为T1、T2，因此适用公式：

D＝T₁*v_c、D＝T₂*v_c

v_c为声速，可以通过如下公式计算得到声速；

v_c＝2*D/T₁+T₂

图5为超声波流量计实时弦介质流速计算流程图，分别激励一组弦对射换能器组2-B或2-C的两个换能器，测量对向换能器接收信号，可分别得到超声波飞行时间T3、T4，如权利2所述测得超声波声速，设两超声波换能器距离为B，由于弦对射换能器组超声波飞行时间与介质弦平均流速存在关系：

按公式计算得到介质弦流速

同理计算得到其他各组弦对射换能器组的介质弦流速

如图1、图2所示，按照上述计算方法，可以在流量测量过程中，实时计算得到弦换能器组B1、B2的介质弦流速v_b和弦换能器组C1、C2的介质弦流速v_c；

图6为超声波流量计弦介质流速系数计算流程图；分别通过实流检定不同弦心距L0、L1、……Ly的超声波流量计，计算不同弦心距对应的介质弦流速与对应的介质面流速，设弦心距Lm对应介质弦流速为v_m，介质面流速为v_m0按公式

K_m＝v_m0/v_m

计算得到此弦心距的弦心距系数Km，以此类推计算不同弦心距L0、L1、……Ly对应的弦心距系数组K0、K1、……Ky；将各弦心距与弦心距系数组作为自动检定系数数据库，在实际测量过程中调用自动检定系数数据库进行补偿；此数据库一次实流检定完成，可以应用于所有同口径、同结构流量计。

在实时测量过程中的补偿方法为：如上所述弦心距Ln，从自动检定系数数据库中取出弦心距Lm、Lm+1对应弦心距系数为Km、Km+1，弦心距Lm、Lm+1与弦心距Ln存在Lm<Ln<Lm+1的关系，按折线补偿法公式

K_n＝(L_n-L_m)*(K_m+1-K_m)/(L_m+1-L_m)+K_m

计算得到弦心距Ln对应的弦心距系数Kn，然后以此方法计算得到所有各弦对射换能器组的弦心距系数；在图1、图2的实施实例中，根据图3可以测量得到两声道的弦心距L_B、L_C，按照上述方法可以计算得到弦心距系数，分别记为K_B、K_C。

图7为超声波流量计面平均流速计算流程图；由图6弦心距系数的计算方法

K_m＝v_m0/v_m

可知，每个弦声道的介质弦流速与弦心距系数相乘即为超声波流量计面平均流速，因此超声波流量计面平均流速即为所有介质弦流速所计算得到的面平均流速的算术平均，即按公式

v＝∑(K_n*v_n)/N

可以计算得到超声波流量计的面平均流速，如图1、图2实施实例所示，

v＝(K₁*v₁+K₂*v₂)/2

v为超声波流量计面平均流速。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种自动标定的超声波流量计计算方法，其可以免去现有的采用标准流量检定装置校准，采用通过测量弦心距，自动计算得到流量计测量的介质面平均流速，节省了实流检定时间，提高了生产效率，节约能耗，有着重大的生产实践意义，为超声波流量计的推广产生了巨大的社会效益。

此外，本发明提供的一种自动标定的超声波流量计计算方法，操作简单，可在使用过程中，自动校准精确度，避免了长时间使用过程工况环境变化造成的精度下降问题产生。本发明可以应用于液体或气体介质测量的超声波流量计。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (3)

1.一种自动标定的超声波流量计的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采用内径测量工具测量超声波流量计测量导管的管体内径为D；

步骤二、分别激励中心对射换能器组的两个换能器，测量对向换能器的接收信号，分别得到超声波飞行时间T₁、T₂，按公式计算得到超声波声速：

v_c＝2*D/T₁+T₂

步骤三、将标定工装卡在超声波流量计测量导管的管体外侧，测量得到管体外径Dw和弦对射换能器组距离管体两外边距离L₁、L₂，设L₁大于L₂，则按公式计算得到此组弦对射换能器组弦心距为：

L＝L₁-L₂/2

同理，按相同方法可测得其他各组弦对射换能器组的弦心距L_n；

步骤四、分别激励弦对射换能器组的两个换能器，测量对向换能器的接收信号，分别得到超声波飞行时间T₃、T₄，结合测得的超声波声速，按公式计算得到介质弦流速

同理，按此方法测量计算得到其他各组弦对射换能器组的介质弦流速

其中T_a、T_b为此弦对射换能器组的超声波飞行时间；

步骤五、分别通过实际流量检定不同弦心距L₀、L₁、……L_m……L_y的超声波流量计，计算不同弦心距对应的介质弦流速与对应的介质面流速，设弦心距L_m对应介质弦流速为v_m，介质面流速为v_m0，按如下公式计算得到此弦心距的弦心距系数K_m：

K_m＝v_m0/v_m

以此类推计算不同弦心距L₀、L₁、……L_m……L_y对应的弦心距系数组K₀、K₁、……K_y，将弦心距与弦心距系数组作为自动检定系数数据库；

步骤六、得到的自动检定系数数据库中取出弦心距L_m、L_m+1对应弦心距系数为K_m、K_m+1，且与弦心距L_n存在L_m<L_n<L_m+1的关系，按如下公式自动补偿计算得到弦心距L_n对应弦心距系数K_n：

K_n＝(L_n-L_m)*(K_m+1-K_m)/(L_m+1-L_m)+K_m

以此方法计算得到各弦对射换能器组的弦心距系数；

步骤七、步骤四得到的超声波流量计各组弦对射换能器组的介质弦流速V_x与步骤六得到的超声波流量计各组弦对射换能器组的弦心距系数K_n，按如下公式计算得到超声波流量计的面平均流速v：

v＝∑(K_n*v_n)/N

N为弦对射换能器组数量。

2.一种用于实现权利要求1所述一种自动标定的超声波流量计的计算方法的标定工装，其特征在于，所述的标定工装包括支撑杆一、支撑杆二、标准尺和读数头，支撑杆一与支撑杆二平行布置，标准尺与支撑杆一、支撑杆二垂直装配，读数头垂直于标准尺，沿标准尺滑动来测量长度；检测时，将所述的标定工装卡在超声波流量计测量导管的管体外侧，支撑杆一、支撑杆二与超声波流量计的弦对射换能器组平行布置。

3.根据权利要求2所述的一种自动标定的超声波流量计的计算方法的标定工装，其特征在于，所述的标准尺采用光栅尺或磁栅尺或游标卡尺，测量精确度达到0.001mm以上的位移测量工具。

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